Повышение экологичности

13 октября 2022 г.

Городского университета Гонконга

Металло-углекислотный аккумулятор — перспективная и экологически чистая технология, однако ее энергоэффективность ограничена. Недавно исследовательская группа под руководством химиков из Городского университета Гонконга (CityU) обнаружила инновационный способ решения этой проблемы путем введения нетрадиционного фазового наноматериала в качестве катализатора, повышающего энергоэффективность батареи до 83,8%. Исследование раскрывает новую конструкцию катализаторов для нового поколения метагазовых батарей, которые могут способствовать достижению целей с нулевым выбросом углерода.

Металло-углекислотная батарея может обеспечить длительное электричество (высокая плотность энергии) для электроники и обеспечить фиксацию углекислого газа (CO2) без дополнительного потребления энергии от внешней цепи для преобразования выбросов парниковых газов CO2 в продукты с добавленной стоимостью. В частности, литий-углекислотная батарея имеет высокую теоретическую плотность энергии (1876 Вт·ч кг-1), что делает ее многообещающим кандидатом для высокопроизводительной технологии преобразования и хранения энергии следующего поколения.

Однако металло-CO2-аккумуляторы по-прежнему страдают от вялой кинетики реакции. Это приводит к большому перенапряжению (т. е. требуется большее напряжение или энергия, чем теоретически определено для запуска окислительно-восстановительной реакции, обеспечивающей работу батареи), низкой энергоэффективности, плохой обратимости и ограниченной циклической стабильности.

«Исследователи обычно считают морфологию, размер, состав и распределение компонентов на основе металлов в композитных катодных катализаторах основными проблемами, которые приводят к различиям в характеристиках батарей», — сказал доктор Фань Чжаньси, доцент кафедры химии CityU. и один из руководителей исследования. «Но мы обнаружили, что подготовка новых катализаторов с нетрадиционными фазами является осуществимой и многообещающей стратегией повышения энергоэффективности и производительности металло-газовых батарей, особенно с учетом того, что традиционные стратегии модификации катализаторов столкнулись с долгосрочными техническими препятствиями».

Доктор Фан и его команда накопили обширный опыт и знания, связанные с точным регулированием кристаллической фазы наноматериалов на основе металлов, что позволило им выбрать подходящие элементы для создания их нетрадиционных фаз и впоследствии изучить влияние кристаллической фазы катализаторов на кинетика реакции определенного вида апротонной (т. е. без участия ионов водорода) электрохимии металл-газ. «Однако это не означает, что этот процесс легко реализовать, поскольку он предполагает строгие требования к бифункциональности катодных катализаторов в органической среде», — пояснил доктор Фан.

Команда синтезировала иридиевые наноструктуры с нетрадиционной 4H/гранецентрированной кубической (ГЦК) гетерофазой, контролируя кинетику роста Ir на золотых (Au) темплатах. В своих экспериментах катализатор с гетерофазой 4H/ГЦК продемонстрировал более низкую плато заряда (ниже 3,61 В) и более высокую энергоэффективность до 83,8% во время циклирования в апротонных батареях Li-CO2, чем другие катализаторы на основе металлов (обычно с потенциалом заряда более 3,8 В и энергоэффективность до 75%).

Комбинация экспериментов и теоретических расчетов, проведенных командой, показала, что наноструктуры 4H/fcc Ir, созданные с помощью фазовой инженерии, более благоприятны для обратимого образования аморфных/низкокристаллических продуктов разряда, тем самым снижая перенапряжение и способствуя циклической стабильности электрохимического окислительно-восстановительного процесса. реакции. Необычные фазовые наноструктуры 4H/ГЦК Ir показали себя намного лучше, чем обычные ГЦК Ir, и достигли выдающегося зарядного потенциала и энергоэффективности по сравнению с другими известными катализаторами на основе металлов, используемыми в апротонных батареях Li-CO2.

«Это исследование раскрывает большой потенциал фазовой инженерии катализаторов в электрохимии металлов и газов. Оно открывает новое направление в разработке катализаторов для разработки устойчивых систем электрохимического преобразования и хранения энергии», - заключил доктор Фан.